Принцип действия мультивибраторов на ОУ, области их применения

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Приведенная схема мультивибратора на двух транзисторах (см. рисунок 1) сейчас почти не применяется, так как имеет плохие частотные свойства и не очень крутые фронты, что ограничивает частоту его генерации до единиц МГц. На более высоких частотах оба транзистора запираются и для восстановления работы устройство надо перезапускать, что во многих случаях неприемлемо.

Рисунок 1 — Принципиальная схема «классического» простейшего транзисторного мультивибратора

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая благодаря положительной обратной связи между каскадами усиления.

Состояние 1: Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, C1 быстро заряжается базовым током Q2 через R1 и Q2, после чего при полностью заряженном C1 (полярность заряда указана на схеме) через R1 не течет ток, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)* R2, а на коллекторе Q1 — питанию. На рисунке 2 изображена схема транзисторного мультивибратора с коллекторно-базовыми ёмкостными связями.

Рисунок 2 — Схема транзисторного мультивибратора с коллекторно-базовыми ёмкостными связями.

Напряжение на коллекторе Q2 невелико (падение на насыщенном транзисторе).

C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), начинает медленно разряжаться через открытый Q2 и R3. Пока он не разрядился, напряжение на базе Q1 = (небольшое напряжение на коллекторе Q2) — (большое напряжение на C2) — то есть отрицательное напряжение, наглухо запирающее транзистор.

Состояние 2: то же в зеркальном отражении (Q1 открыт и насыщен, Q2 закрыт).

Переход из состояния в состояние: в состоянии 1 C2 разряжается, отрицательное напряжение на нём уменьшается, а напряжение на базе Q1 — растет. Через довольно длительное время оно достигнет нуля. Разрядившись полностью, С2 начинает заряжаться в обратную сторону, пока напряжение на базе Q1 не достигнет примерно 0,6 В.

Это приведет к началу открытия Q1, появлению коллекторного тока через R1 и Q1 и падению напряжения на коллекторе Q1 (падение на R1). Так как C1 заряжен и быстро разрядиться не может, это приводит к падению напряжения на базе Q2 и началу закрытия Q2.

Закрытие Q2 приводит к снижению коллекторного тока и росту напряжения на коллекторе (уменьшение падения на R4). В сочетании с перезаряженным C2 это ещё более повышает напряжение на базе Q1. Эта положительная обратная связь приводит к насыщению Q1 и полному закрытию Q2.

Такое состояние (состояние 2) поддерживается в течение времени разряда C1 через открытый Q1 и R2.

Таким образом, постоянная времени одного плеча есть С1 * R2, второго — C2 * R3. Это дает длительность импульсов и пауз.

Также эти пары подбираются так, чтобы падение напряжения на резисторе в условиях протекания через него тока базы было бы большим, сравнимым с питанием.

R1 и R4 подбираются на много меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.

Применение мультивибраторов. Всякого вида устройства мигающего света (елочные, игрушечные, сигнализационные, например в реле указателей поворота автомашин и т. п.), полуавтоматические телеграфные ключи для любительской коротковолновой аппаратуры, автоматические манипуляторы передающих устройств дистанционного управления.

Транзистор как переключатель. Ценным для нас свойством транзисторов является то, что при работе в переключающихся схемах они могут пропускать очень большой ток. Если коллекторный ток во время переключения имеет прямоугольную форму, то мощность, рассеиваемая коллектором этого транзистора, может превышать максимально допустимую в несколько раз. Этим пользуются в мультивибраторных источниках питания, переключателях и транзисторных реле. Хорошо отрегулированный мультивибратор может служить идеальным переключателем. Сопротивление открытого (включенного) транзистора, работающего в качестве идеального ключа, близко к нулю, а закрытого - стремится к бесконечности.

Однако на практике переключающий транзистор работает не как идеальный ключ. Он не мгновенно переходит из одного состояния в другое. Его сопротивление меняется плавно. Хотя это происходит в течение очень малого промежутка времени, но из-за больших потерь мощности на внутреннем сопротивлении транзистора он успевает нагреться.

Подбирая транзисторы для переключающихся устройств, надо стремиться к тому, чтобы они имели низкое внутреннее сопротивление, большой коэффициент передачи тока и малое время переключения. Кроме того, надо предусмотреть охлаждающий радиатор.

Правильно подобранный транзистор с номинальной мощностью 125...250 мВт/30 В (в мультивибраторе с трансформаторной связью) может коммутировать импульсы мощностью в несколько десятков ватт, т. е. в цепи с напряжением 12 В переключать лампы мощностью 35 Вт при токе 4 А. Правда, после 2 мин работы транзистор заметно нагреется, но радиатор позволяет ему работать долго.

Поиск по сайту: